張連偉

(開灤(集團)有限責任公司東歡坨礦業(yè)分公司，河北 唐山 064002)

隨著煤礦開采深度的增加，在巷道掘進施工過程中，以石門揭煤發(fā)生煤與瓦斯突出事故的概率最大。據(jù)統(tǒng)計，我國千噸級及以上的特大煤礦突出事故中，石門揭煤工作面發(fā)生煤與瓦斯突出約占70%～80%，其突出強度達到其他巷道煤與瓦斯突出強度的6倍以上[1-4]，因此，在石門揭煤過程中必須采取安全高效的防突措施。國內(nèi)外許多學(xué)者針對石門揭煤的煤與瓦斯突出機理和瓦斯綜合防治措施開展了研究[5-10]，提出了各類煤與瓦斯防突方法，其中，預(yù)抽煤層瓦斯作為區(qū)域防突措施被廣泛應(yīng)用于揭煤工作中[11-15]。但是由于煤礦的煤層賦存條件和巷道類型的不同，煤與瓦斯突出的條件也不一樣，形成各自不同的特點。本文以開灤礦區(qū)二水平南一采區(qū)運輸下山下部石門揭煤為研究對象，通過理論分析、現(xiàn)場實測與驗證的方法對石門揭煤綜合瓦斯防治技術(shù)進行研究，以期為類似礦井的石門揭煤瓦斯防治提供依據(jù)。

1 礦井概況

開灤礦區(qū)二水平南一采區(qū)運輸下山下部石門布置在二水平，開口位置為運輸下山運輸聯(lián)絡(luò)巷，共包括運輸下山、運輸下山下部石門二部分。運輸下山為16°下山，沿12-1煤層頂板掘進，已施工到位。運輸下山下部石門為新區(qū)域掘進，設(shè)計長度80m，將穿過11、9煤層。目前已施工45.4m(AX34測點前)，巷道掘進層位處于12-1煤層頂板(11煤層底板)，即將揭露11煤層。11煤層傾向N306°，傾角N20°，真厚平均2.2m，煤層穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，塊狀，煤質(zhì)較硬。11煤層頂?shù)装迩闆r見表1。2018年10月17日，二水平南一采區(qū)運輸下山下部石門工作面掘進至距11煤層法線距離7.5m位置停止掘進，開始實施揭煤綜合瓦斯防治技術(shù)。

表1 11煤層頂?shù)装迩闆r

2 石門揭煤綜合瓦斯治理技術(shù)

二水平南一采區(qū)運輸下山下部石門工作面從距11煤層底板最小法向距離5m開始到穿過煤層進入頂板2m的過程均屬于揭煤作業(yè)。

2.1 瓦斯參數(shù)測定

1)煤層瓦斯壓力測定。工作面在距離11煤層法向距離7.5m時，停止工作面施工。在二水平南一采區(qū)運輸下山AX30測點前28m右?guī)豌@窩內(nèi)施工兩個瓦斯參數(shù)測定鉆孔，分別為C1、C2；在二水平南一采區(qū)運輸下山下部石門AX34測點前14m左幫鉆窩內(nèi)施工一個瓦斯參數(shù)測定鉆孔C3，對11煤層進行了瓦斯壓力測定工作，測得最高瓦斯壓力為2.6MPa，鉆孔施工過程中未發(fā)現(xiàn)卡鉆、頂鉆、夾鉆、瓦斯動力等異?，F(xiàn)象。二水平南一采區(qū)運輸下山下部石門揭11煤層瓦斯參數(shù)測定鉆孔布置如圖1所示。鉆孔施工參數(shù)見表2。

圖1 運輸下山下部石門揭11煤層瓦斯參數(shù)測定鉆孔布置

2)煤層其他參數(shù)測定。根據(jù)實際計算得出，11煤層瓦斯含量10.769m3/t，吸附常數(shù)a=29.69m3/t，b=0.25m3/t，瓦斯放散初速度△P=8.9，煤的水分Mad=1.22%，煤的灰分Ad=8.27%，煤的孔隙率為0.06868，煤的容重1.3t/m3。

表2 鉆孔施工參數(shù)

綜上，二水平南一采區(qū)運輸下山下部石門測得瓦斯含量10.769m3/t；瓦斯壓力為2.6MPa，因此，判定該掘進工作面需要進行瓦斯預(yù)抽。

2.2 瓦斯預(yù)先抽采

開灤礦區(qū)二水平南一采區(qū)運輸下山下部石門揭煤主要采取預(yù)抽鉆孔的方法對11煤層揭煤區(qū)域進行預(yù)先抽放，預(yù)抽鉆孔抽放半徑3m，孔間距不大于6m，鉆孔設(shè)計角度為-4.48°～33.35°，孔深13.9～59.7m，控制范圍為巷道上、左、右側(cè)5m，控制巷道底部3m。

鉆孔采用ZDY-1200、ZDY-4000型鉆機施工，開孔孔徑113mm，終孔孔徑94mm，施工抽放鉆孔數(shù)36個，總計1290.9m。二水平南一采區(qū)運輸下山下部石門瓦斯抽放孔布置如圖2所示，具體參數(shù)見表3。

2018年11月7日開始將鉆孔接入抽放管路，每班檢測抽放管進氣端瓦斯?jié)舛取⑼咚贡门欧趴谕咚節(jié)舛?、抽放流量并計算瓦斯抽放量，截止?019年1月4日，抽放時間共計58d，抽放量共計24075.3m3。

2.3 水力沖孔

當所有預(yù)抽鉆孔幾乎不能抽出瓦斯時，利用抽放鉆孔對11煤層進行水力沖孔，使煤體破壞剝落，使煤層煤巖中的彈性潛能和瓦斯的膨脹能在可控的條件下緩慢釋放，逐漸形成若干直徑較大的孔洞。煤層中新裂縫的產(chǎn)生和應(yīng)力水平的降低打破了瓦斯吸附與解吸的動態(tài)平衡，瓦斯解吸和排放速度加快，使部分吸附瓦斯轉(zhuǎn)化成游離瓦斯，而游離瓦斯則通過裂隙運移得以排放，提高煤層瓦斯透氣性。水力沖孔過程排出了大量的瓦斯和一定數(shù)量的煤炭，在煤體中形成一定的卸壓、排放瓦斯區(qū)域。在這個安全區(qū)域內(nèi)，水力排渣消除了煤層的動力，改變煤層的性質(zhì)，起到有效的防治瓦斯效果。

圖2 一采區(qū)運輸下山下部石門揭11煤層抽采孔布置(m)

1)布孔方法：利用1#—20#預(yù)抽鉆孔作為水力孔，通過1#—5#驗證孔觀測瓦斯?jié)舛?、壓力變化情況，每個鉆孔沖出煤量及各鉆孔累計沖出的總煤量數(shù)值應(yīng)不小于煤層厚度乘以20。沖孔順序：1#、6#、11#、16#、20#、17#、14#、8#、4#、3#、2#、5#、9#、13#、12#、7#、10#、15#、18#、19#。

2)施工工藝：要求水力沖孔水壓3MPa，孔口安設(shè)防噴裝置，工作面后退10m設(shè)置泵窩，安設(shè)兩臺2.2kW潛水泵，進行排水，并安排人員進行清淤，保證工作面后路暢通。

3)技術(shù)要求：①鉆孔孔徑?94mm，下8m套管并注漿固結(jié)，不漏水漏氣，沖孔采用?43mm鉆桿；②高壓管、鉆桿等接頭必須加裝密封裝置，減少漏水，確保沖孔壓力不小于3MPa；③合理控制排渣壓力，并滿足快速卸壓需要；④孔口防噴裝置完善可靠，涌出瓦斯較大時，控制沖孔流量，避免瓦斯泄漏超限；⑤建立水力沖孔管理臺賬，詳細記錄鉆孔孔號、班次、見煤深度、穿煤長度、沖孔壓力、沖孔時間、排出煤量等參數(shù)，以及排渣操作人員等內(nèi)容。

表3 一采區(qū)運輸下山下部石門瓦斯抽放孔設(shè)計參數(shù)

2.4 預(yù)抽煤層措施效果檢驗

工作面在距11煤層法向距離7.5m，完成水力沖孔工作后，在已打的5個檢驗孔基礎(chǔ)上，根據(jù)水力沖孔后實施情況和效果檢驗孔布孔原則再補打5個檢驗孔(檢6—檢10)。采用直接測定煤層殘余瓦斯壓力進行預(yù)抽煤層措施效果檢驗，在實施鉆孔法瓦斯治理措施效果檢驗時，避免與驗1—驗5相互影響，遠離周圍的各種鉆孔或盡可能與周圍各種鉆孔保持等距離，分布在工作面各部位的檢驗鉆孔布置于所在部位瓦斯治理措施鉆孔密度相對較小、孔間距相對較大的位置。區(qū)域瓦斯治理措施效果檢驗鉆孔參數(shù)見表4。

表4 區(qū)域瓦斯治理措施效果檢驗鉆孔參數(shù)表

自2019年1月21日，施工完6號檢驗孔，安裝壓力表測瓦斯壓力，之后陸續(xù)施工7—10號檢驗孔，截止到2019年2月1日，實測瓦斯壓力最高0.06MPa。根據(jù)現(xiàn)場實測瓦斯壓力數(shù)據(jù)以及中國礦業(yè)大學(xué)計算殘存瓦斯含量結(jié)果，該工作面瓦斯壓力0.06MPa<0.6MPa，殘存瓦斯含量3.19m3/t<6m3/t，該工作面滿足《煤礦安全規(guī)程》、《瓦斯抽采達標暫行規(guī)定》、《河北省瓦斯綜合治理辦法》的要求。綜上所述，該掘進工作面預(yù)抽效果評判結(jié)果為抽采達標。

2.5 煤體固化

巷道掘至距11煤層法線距離2m時，停止掘進，采用注水泥漿方式對鉆孔進行加固，需注水泥的鉆孔，根據(jù)鉆孔見煤點來確定，鉆孔位于巷道輪廓線外0.5～2.0m的范圍內(nèi)。煤體固化期間，在巷道四周環(huán)狀固化鉆孔外側(cè)的煤體中，預(yù)抽或排放瓦斯鉆孔自固化作業(yè)到完成揭煤前應(yīng)保持抽采或自然排放狀態(tài)，否則，應(yīng)打一定數(shù)量的排放瓦斯鉆孔。從固化完成到揭煤結(jié)束的時間超過5d時，必須重新進行工作面瓦斯治理措施效果檢驗。

3 結(jié) 論

從開灤礦區(qū)二水平南一采區(qū)運輸下山下部石門揭煤施工以來，嚴格執(zhí)行石門揭煤綜合瓦斯防治技術(shù)，加強瓦斯管理，通過瓦斯預(yù)抽、水力沖孔、煤體固化等措施，降低揭煤點及其周圍煤層瓦斯含量，瓦斯壓力降至0.6MPa以下，在此期間無發(fā)生一次瓦斯高值，每天保證正規(guī)循環(huán)，日進尺1.4m，順利實現(xiàn)了安全揭過煤，為礦井采掘正常接替提供了有力的保障。